CN102789942A - 辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点x线管 - Google Patents

Abstract

本发明是一种辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，包括阳极组合体、阴极组合体、绝缘陶瓷真空封装外壳以及设置在绝缘陶瓷真空封装外壳外的阳极水冷套。本发明具辐射转换效率高、辐射强度大、辐照角度大，辐照均匀性好等优点，与高压电源配套用于辐照产业替代放射性核辐照源，从而最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。

Description

辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管

技术领域

 本发明主要涉及一种辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，本发明属于致电离辐射辐照设备技术领域。

背景技术

利用致电离辐射的强穿透性及对生物体的辐照剂量生物效应，人类从上世纪随着和平利用核能口号开始广泛把核辐照技术应用于诸如：食品保鲜，物品消毒灭菌杀虫，辐照生物效应研究，血液制品处理（防止输血反应）等等各种应用领域，也取得很大社会经济效益，辐照用核辐射源因而被广泛应用。由于核辐射的不可控特性，核辐射源在制造，运输，储存以及最终报废后都一直产生对周围的辐射，可能对周围人员安全造成危害。所以环境保护人士和广大关心环境保护的公众通过各种立法，一开始就把核辐射源作为具有对环境产生放射性核污染潜在威胁的危险品严加管控。随着公众环保意识的不断加强，以及所发生过的核物质泄漏事故的严重后果产生恶劣影响，这种管控还在不断加强，从而限制了辐照产业的发展。从上世纪80年代以来，人们开始用可控致电离辐射技术例如加速器和X线装置产生的致电离辐射来替代核辐射用于辐照产业，希望最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。但是，加速器存在设备体积大，价格昂贵，管理复杂，运行成本高等缺点。从技术上分析，虽然其能量高，但束流强度有限且截面有限，如要求大面积照设需要扫描也降低了辐照强度。而X线发生装置传统上是被广泛应用于医学影像诊断，工业成像无损检测和公共安全影像检查，至今还在不断发展推广。从上世纪90年代起，美国，日本等国不少制造商开始设计生产专用生物样品辐照的X线设备替代铯137放射源，由于辐射完全可控，不存在放射性核处理问题，辐照腔体积小，防护完善，受到用户和环保部门普遍欢迎，至今已在全球包括我国市场得到推广。但是由于至今这些辐照X线设备大都直接采用工业成像X线发生器装置，只是加了辐照屏蔽室。所采用关键核心部件X线管，都是工业成像用的水冷或油冷钨靶反射式阳极较小焦点X线管。

   这种X线管用作为辐照时存在的技术缺陷是：射线出射方向主轴与电子束成90度，其有效照射角度必须小于靶角度2倍，一般最大在40度左右，无法扩大，用于工业X线成像没问题，用于辐照则显著减少了照射面积。由于出射束个方向在靶内过滤减弱长度变化大，出射束的强度分布不均均，即所谓“足跟效应”，在工业成像时可用过滤来改善，用于辐照则降低了辐照强度。由于工业X线检测需要随时灵活转动X线管照射方向，目前X线管大都通过高压电缆与固定的高压发生器相联，而目前配套高压电缆的耐压等级最大225kV，限制了X线管的工作电压提高（目前最高用正负压两条电缆为450kV）。根据辐射物理原理，在靶材靶角及工作电压确定后，其在于电子束90度方向产生X线能量转换效率已经固定，无法提高。这个转化效率与管电压数值及靶材原子序数之积成正比。在多种因素确定钨是唯一可选靶材后，这个转换效率的提高只能靠提高管电压来取得，而医学工业影像要求射线光子能量，并不是越高越好。虽然增大管电流可以直接增加X线输出功率，但医学工业成像要求X管焦点不能太大，而尽管采用水冷可以承受4-6千瓦功率，由于焦点尺寸较小的限制，水冷效率较低，阳极最大负荷也无法提高。所以现有工业X线管及其工作电压，并没有实现更高辐射能转换效率的要求，现有管的阳极负荷功率，也不能满足更强辐照功率的要求，目前还很难取代现有高活度核辐照源。要广泛用X线发生装置作辐照源完全替代核辐照源，就需要研制新型专用辐照X线管，就在改善辐照面均匀性，增大出射辐照角度以增大辐照面积，尽量提高辐射能转换效率，尽量增大辐照X线管功率等等各方面对专用辐照X线管提出一系列创新改进的要求。

美国Rad Source公司在多年利用工业X线管及发生装置制造辐照专用X线源设备基础上，与2007年研究开发出专用辐照X线管，即所谓4π辐照X线管，可算为世界上第一种专门为辐照应用设计的X线管。创新采用中心细管状灯丝阴极，外包筒状阳极，在阳极筒外套水冷筒结构，使得整个阳极筒表面为X线辐射体。从辐射物理角度分析，每个样品筒接受的X线辐射，既有通0度至70度的透射X线通过阳极筒水冷筒射出来，也90度至180度反射X线射通过阳极筒水冷筒射出来。也就是说，其结构虽然含有透射阳极技术及直接水冷技术，大大提高水冷效率，但是追求4π辐照角度效果使得所采用的90度至180度反射X线平均减弱了透射阳极透射X线的增强效果，虽然其对所产生X线的利用率比常规X线管大为提高，但使得其总平均辐射效率比100%透射阳极X线管大为降低。为解决辐照均匀性差的缺陷，采用了6只样品筒平行与阳极筒并包围在阳极筒外，用专门设计驱动机构驱动，使得样品筒围绕阳极筒在一个辐照周期围阳极筒公转一圈，同时各自传一圈。该X线管的另一问题是未能做到永久真空密封，需要配合真空泵工作，是相对现有工业X线管的退步。

透射阳极X线技术，即采用较薄靶片同时当作出射窗，X线出射主轴方向与电子束方向夹角接近0度，早在上世纪30年代就曾出现，当时发明者主要强调其焦点可以直接靠近被照样品的特点。目前也有几种产品，一种是用于X线显微镜，采用微焦点极小阳极功率，薄片阳极靠空气冷却，由于靶片即窗口，可以把被照样品放置特别近焦点，这样在距离较远的胶片上可以获得高放大倍数的样品软X线透视图像。一种用于X线荧光分析的X线管，工作电压在30kV至50kV，阳极负荷数百瓦靠空气冷却，也是主要利用可以尽量靠近分析样品的特点。但由于靶片工艺特别是阳极冷却技术的困难，至今在X线管产品中却始终极少被采用。

本发明作者在1993年在英国阿伯丁大学读博士期间进行X线能谱与强度理论和实验研究时，注意到X线韧致辐射的方向性即辐射强度角分布具有明显向前倾向，最强韧致辐射方向与入射电子方向夹角随着管电压升高，从60kV到500kV由约40度一直减少到约15度。认识到目前广泛通用的90度方向出射的反射式阳极X线管，其最强的部分并未得到应用。因而提出了用透明基透射式阳极利用最大韧致辐射方向射线的设想，经过菲利浦医学系统帮助，申请了名为“透射式阳极X线管”的专利（EP0584871B1）并于1995年被欧洲专利局授权。作者并在菲利浦研究所进行的博士后研究中，对透射阳极进行了理论与实验（150kV内）研究，得出透射与常规反射式X线能谱强度比值与管电压关系的半经验计算公式。该专利中，本发明作者给出了不同管电压不同靶材对应的靶层厚度计算公式，及不同管电压最强韧致辐射方向角对应表。但是该专利的具体应用实施结构图是石墨旋转阳极基体上覆钨靶膜，电子束与出射X线轴夹角约30度。专为医学成像设计。其后并未能获得应用。

本发明作者在1998年10月，向中国专利局申请了发明专利“透射阳极高效X线机”，2003年11月26日被国家知识产权局授权（ZL98114400.4）。该专利中，整机包括透视阳极X线管，一体化高压发生器，控制台，循环水冷却器。说明书中本发明作者给出了不同管电压最强韧致辐射方向角对应表及按半经验公式推算出的透射反射管输出强度比。该专利附图X线管中采用了0度出射透射阳极结构和阳极背后直接水冷。但是该专利实施例中采用较小焦点，阳极组合体中靶片内部还设有电子通道结构，目标仅为工业扫描成像用，与其后授权的另一发明“多功能工业X线成像系统”（ZL99 1 13199.1）配套。两项发明至今尚未获应用。

本发明虽然与发明“透射阳极高效X线机”（ZL98114400.4）中附图2透射阳极X线管在采用透射阳极和靶背面直接水冷两个特征上相同，但在焦点面积上做了实质性改进，而这种看似几何尺寸关系的变化，已经导致本项发明在工作功率及辐射性能实质的变化。因为，阳极冷却工程理论表明，对于固定阳极靶当背面保持恒定环境温度时，靶面可承受电子流轰击的最大功率是正比于靶材熔点导热系数及电子束轰击面尺寸（即实际焦点尺寸）。当焦点尺寸小时，不论背面水冷流量如何加大，阳极最大工作功率不可能提高。也就是说，前发明（ZL98114400.4）中X线管，采用较小焦点，阳极组合体中靶片内部还设有电子通道结构，目标为工业扫描成像用，只能工作在较小功率（1千瓦以内），辐射效率及射束均匀性虽然高于普通工业X线管，只适合为工业扫描成像用。但是用作为辐照专用，还是存在最大功率小，冷却效率低的缺陷。本项发明，去掉其电子通道结构，采用无聚焦碗台大面积阴极发射面，及配套大面积透射阳极靶片，使阴极发射片至透射阳极靶片距离小于两片直径尺寸，从而获得超大面积焦点（焦点尺寸为普通工业成像X管焦点尺寸数十倍以上），使得本发明的阳极负荷功率也相应提高数十倍。此外，本发明出射X线的有效辐照角度也比前述发明以及普通工业成像X管大得多，可大于100度锥角。使得与电子束方向从40度至15度的出射的最大韧致辐射均在可用射束范围，比起反射式阳极90度出射的X线，产生X线转换效率，在工作电压大于160kV以上时，会有显著提高。同时其辐射场均匀性也远高于反射式阳极辐射场的均匀性。

随着绿色环保意识在全球不断增强，核辐照在食品生物制品辐照方面的普遍应用的现状已经对大力发展辐照专用X线设备提出了强烈需求，从而最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。

发明内容

发明目的

本发明提出一种创新X线管阳极和阴极结构设计，目的是用于高电压大功率高转换效率大辐照角度X线发生装置的核心部件，用于辐照产业应用，替代现在广泛应用的钴60或铯137放射性核辐照源，从而最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，包括阳极组合体、阴极组合体、绝缘陶瓷真空封装外壳以及设置在绝缘陶瓷真空封装外壳外的阳极水冷套，其特征在于：阳极组合体外端部设有透射式阳极靶片，阴极组合体的前端部设有大面积发射阴极片，阳极水冷套外端部中心设有出射窗；阳极靶片与大面积发射阴极片及出射窗相互平行且中心均位于X线管中心轴；大面积发射阴极片发射的电子束直接射入阳极组合体内的透射式阳极靶片上形成超大面积焦点；阳极水冷套是在X线管真空密封部分外，包套在露出管外部分的阳极组合体的凸出部分上，其相互连接方式为防水密封可装配方式；阳极水冷套两侧装有进水管接头和出水管接头。

阳极靶片是由不同材料复合结构制成；作为靶片，阳极靶片内层由高原子序数重金属制成，厚度等于工作管电压加速后电子在该重金属中的射程；作为X线真空管的出射窗，阳极靶片中层由低原子序数高导热金属制成，周边与阳极组合体真空密封焊接；作为冷却水流隔离，阳极靶片外层覆有低原子序数材料耐腐蚀耐辐射涂层。

大面积发射阴极片、阳极靶片及出射窗的直径尺寸，大于它们相互间的距离尺寸；阳极靶片、出射窗均为突出弧形面及带有波纹。

大面积发射阴极片采用平面状直热式或间接加热式阴极，或者平面状场致发射阴极。

绝缘陶瓷真空封装外壳采用波纹陶瓷或金属壳封接绝缘陶瓷或采用玻璃真空封装外壳。

优点及效果

由于采用上述创新的材料结构及工作方式，和普通工业X线管相比，本发明的明显优点和应用效果是：

（1）辐射转换效率高，由于采用透射阳极技术使与电子束夹角40度至10度的X线韧致辐射最大值方向的辐射线都纳入应用射线束（不向传统反射式阳极X线管这些最大值方向的辐射线都被屏蔽掉），所以比相同管电压及靶材的普通X线管的X线辐射转换效率显著提高。采用的工作管电压越高，效率提高比值越大。而且本发明采用比钨更高原子序数靶材（例如金，铂等），以及采用更高工作电压（例如300kV以至900kV），使辐射转换效率进一步大幅提高。

（2）辐射强度大，由于采用超大焦点（比传统工业成像X管焦点尺寸大数十倍），以及独特的薄靶片背后直接冷却水流冷却阳极技术，使得本发明阳极耐受功率比普通工业X线管大数十倍，因而可以连续工作在大功率条件，加上高辐射转换效率，使得本发明可以产生比传统工业成像X管强得多（高出几个数量级）的辐射强度。替代活度大得多的核辐照源。

（3）辐照角度大，辐照均匀性好，由于采用透射阳极技术，与传统工业成像X管相比，本发明出射X线束的张角不受靶角度（靶面与出射束中心轴垂直）限制，出射束可以接近2π立体角发出，均匀射束可以达到80度至100度（传统传统工业成像X管靶角最大30度时，出射X线束的张角在45度左右）。由于不存在“足跟效应”，出射束的均匀性比传统传统工业成像X管出射束均匀性也有大幅度改善。

附图说明

图1为本发明辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管结构剖面示意图；

图2 为本发明中透射阳极靶片及出射窗局部结构示意图。

其中：1、阳极靶片，2、阳极组合体，3、阳极水冷套，4、阴极组合体，5、绝缘陶瓷真空封装外壳，6、大面积发射阴极片，7、出射窗，8、进水管接头，9、出水管接头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明就是针对现有工业X线管被用来作为辐照X线源所存在的上述各种不足所做的革命性技术变革，为专用高效辐照X线管的设计制造开辟一条全新的技术路线。

本发明属于致电离辐射辐照设备的革新，即用可控的创新的专门为辐照设计开发的X射线发生装置来替代目前广泛采用的其辐射不可控的具有对环境产生放射性核污染潜在威胁的放射性核辐照源设备，以保护人类生存环境。或用于代替虽然可控辐射且无对环境产生放射性核污染潜在威胁的加速器辐照设备，以简化设备降低购置及运行成本。辐照专用高效率大功率超大焦点超高工作电压的创新X线管，则是创新的专门为辐照设计开发的X射线发生装置的最关键核心技术。

本发明从物理原理和工艺技术上对现有工业X线管做了三方面实质性改变：

（1）用透射式阳极替代反射式阳极；

（2）采用大面积阴极发射片在透射阳极上产生超大面积焦点，替代传统阴极聚焦碗台结构小阴极发射面在反射式阳极上产生较小焦点；

（3）在透射式阳极片后面采用直接的水冷，替代传统阳极的较间接的水冷或油冷，以及现有透射阳极X线管阳极的空气冷却。

本发明是一种辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，包括阳极组合体2、阴极组合体4、绝缘陶瓷真空封装外壳5以及设置在绝缘陶瓷真空封装外壳5外的阳极水冷套3，其特征在于：阳极组合体2外端部设有透射式阳极靶片1，阴极组合体4的前端部不设置常规X线管阴极聚焦碗形台，而设有大面积发射阴极片6，阳极水冷套3外端部中心设有出射窗7；其相互结构关系是：阳极靶片1与大面积发射阴极片6及出射窗7相互平行且中心均位于X线管中心轴；工作时大面积发射阴极片6发射的电子束直接射入阳极组合体内的透射式阳极靶片1上形成超大面积焦点。

阳极水冷套3是在上述X线管真空密封部分外，包套在露出管外部分的阳极组合体2的凸出部分上，其相互连接方式（阳极水冷套3与阳极组合体2之间的连接方式）为防水密封可装配连接；阳极水冷套3两侧装有进水管接头8和出水管接头9，使得冷却水流能连续流经阳极组合体前端外表面及阳极靶片1与出射窗7之间的间隙。

在工作电压方式上，本发明所述X线管的工作特征是：阴极阳极之间加的日常运行高压为预定的某较高的固定值（即不像普通医用或工业用X射线管工作电压在一定范围内可连续调整），根据靶片内层厚度靶片至阴极发射片距离及管壳耐压等级设计，该电压可在160kV至900kV范围甚至更高，均采用阳极接地阴极加负高压。

本发明所述X线管的辐射特征是：由阳极靶片1上大面积焦点发出的X射线是透过阳极靶片后再穿过水冷层和出射窗7射出X线管供辐照应用，替代放射性核辐照源。本发明出射X线的辐照角度也比前述发明以及普通工业成像X管大得多，可大于100度锥角。使得与电子束方向从40度至15度的出射的最大韧致辐射均在可用射束范围，比起反射式阳极90度出射的X线，产生X线转换效率，在工作电压大于160kV以上时，会有显著提高。同时其辐射场均匀性也远高于反射式阳极辐射场的均匀性。

阳极靶片1是由不同材料复合结构制成；作为靶片，阳极靶片内层由高原子序数重金属制成，厚度等于工作管电压加速后电子在该重金属中的射程；作为X线真空管的出射窗，阳极靶片中层由低原子序数高导热金属制成，周边与阳极组合体真空密封焊接；作为冷却水流隔离，阳极靶片外层覆有低原子序数材料耐腐蚀耐辐射涂层。

大面积发射阴极片6、阳极靶片1及出射窗7的直径尺寸，一般大于它们之间的距离尺寸（即片间距离尺寸：包括大面积发射阴极片6至阳极靶片1之间的间距，阳极靶片1至出射窗7之间的间距，小于各片（大面积发射阴极片6、阳极靶片1及出射窗7）的直径）；阳极靶片1、出射窗7均为突出弧形面及带有波纹，以增强其刚性及增大有效面积。

大面积发射阴极片6可以采用平面状直热式或间接加热式阴极；还可以采用其它原理如场致发射大面积发射阴极。

X线管真空封装特征在于：绝缘陶瓷真空封装外壳5可以采用波纹陶瓷或金属壳封接绝缘陶瓷，也可以采用玻璃真空封装外壳。

实施例：

图1是采用波纹陶瓷真空封接外壳，阴极发射片采用间热式平面发射体，以及阳极靶片与出射窗采用突出弧形面及带波纹结构的辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管实施例(见图1)。本实施例包括阳极组合体2和阴极组合体4及绝缘波纹陶瓷真空封装外壳5，以及真空封装壳外的阳极水冷套3。阳极组合体2外端部有透射式阳极靶片1，阴极组合体4的前端部不设置常规X线管阴极聚焦碗形台，而设有大面积发射阴极片6，阳极水冷套3外端部中心设有出射窗7。其相互结构关系是：阳极靶片1与大面积发射阴极片6及出射窗7相互平行且中心均位于X线管中心轴。注意本实施例中大面积发射阴极片，阳极靶片，出射窗的直径尺寸较大，大于它们之间的距离尺寸。阳极靶片，出射窗为突出弧形面并带有波纹（见图2），以增强其刚性及增大有效面积。大面积发射阴极片6为间接加热式，工作时发射的电子束直接射入阳极体内的透射式阳极靶片1上形成超大面积焦点。透射阳极靶片1是由复合结构不同材料制成。作为靶片，其内层由高原子序数重金属制成，厚度等于设定工作管电压加速后电子在该重金属中的射程；作为X线真空管的出射窗，靶片中层由低原子序数高导热金属制成，周边与阳极组合体真空密封焊接；作为冷却水流隔离，其外层覆有低原子序数材料耐腐蚀耐辐射涂层。阳极水冷套3是在真空密封X线管外包套在露出管外部分的阳极组合体2的凸出部分上，其相互连接方式为防水密封可装配方式。水冷套3两侧装有进水管接头8、出水管接头9，使得冷却水流能连续流经阳极组合体前端外表面及阳极靶片1与出射窗7之间的间隙。图2以局部解剖方式，给出了本发明中透射阳极靶片及出射窗局部结构示意图。可以看出，工作时冷却水流能顺波纹走向从阳极靶片1与出射窗7之间的间隙中高速流过，给靶片1有效的冷却，使之能够承受很大的阳极功率负荷。

本发明X线管的工作特征是：阴极阳极之间加的日常运行高压为预定的某较高的固定值（即不像普通医用或工业用X射线管工作电压在一定范围内可连续调整），根据靶片内层厚度靶片至阴极发射片距离及管壳耐压等级作系列化设计，该电压可在300kV至900kV范围甚至更高，均采用阳极接地阴极加负高压。本X线管的辐射特征是：由阳极靶片1上大面积焦点发出的X射线是透过阳极靶片后再穿过水冷层和出射窗7射出X线管供辐照应用，替代放射性核辐照源。本实施例的出射束可以接近2π立体角发出，均匀射束可以达到80度至100度（传统传统工业成像X管靶角最大30度时，出射X线束的张角在45度左右）。由于不存在“足跟效应”，出射束的均匀性比传统传统工业成像X管出射束均匀性也有大幅度改善。

Claims (5)

1.辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，包括阳极组合体（2）、阴极组合体（4）、绝缘陶瓷真空封装外壳（5）以及设置在绝缘陶瓷真空封装外壳（5）外的阳极水冷套（3），其特征在于：阳极组合体（2）外端部设有透射式阳极靶片（1），阴极组合体（4）的前端部设有大面积发射阴极片（6），阳极水冷套（3）外端部中心设有出射窗（7）；阳极靶片（1）与大面积发射阴极片（6）及出射窗（7）相互平行且中心均位于X线管中心轴；大面积发射阴极片（6）发射的电子束直接射入阳极组合体内的透射式阳极靶片（1）上形成超大面积焦点；阳极水冷套（3）是在X线管真空密封部分外，包套在露出管外部分的阳极组合体（2）的凸出部分上，其相互连接方式为防水密封可装配方式；阳极水冷套（3）两侧装有进水管接头（8）和出水管接头（9）。

2.根据权利要求1所述的辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，其特征在于：阳极靶片（1）是由不同材料复合结构制成；作为靶片，阳极靶片内层由高原子序数重金属制成，厚度等于工作管电压加速后电子在该重金属中的射程；作为X线真空管的出射窗，阳极靶片中层由低原子序数高导热金属制成，周边与阳极组合体真空密封焊接；作为冷却水流隔离，阳极靶片外层覆有低原子序数材料耐腐蚀耐辐射涂层。

3.根据权利要求1所述的辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，其特征在于：大面积发射阴极片（6）、阳极靶片（1）及出射窗（7）的直径尺寸，大于它们相互间的距离尺寸；阳极靶片（1）、出射窗（7）均为突出弧形面及带有波纹。

4.根据权利要求1所述的辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，其特征在于：大面积发射阴极片（6）采用平面状直热式或间接加热式阴极，或者平面状场致发射阴极。

5.根据权利要求1所述的辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，其特征在于：绝缘陶瓷真空封装外壳（5）采用波纹陶瓷或金属壳封接绝缘陶瓷或采用玻璃真空封装外壳。

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